Разработка кристаллизатора-выпаривателя для переработки НФ-концентрата молочной сыворотки

В главе 1 «Современное состояние вопроса и задачи исследования»
установлено, что наиболее целесообразным способом переработки молочной сыворотки является производство из неѐ лактозы и частично делактозированной деминерализованной сыворотки, которая является сбалансированным по минеральному, белковому и углеводному составу продуктом, который может быть использован в пищевых целях как самостоятельный или в смеси с другими продуктами, повышая их пищевую ценность.
Известные способы производства лактозы и частично делактозированной деминерализованной молочной сыворотки, экономически нецелесообразны для предприятий с малыми объемами сыворотки, т. к. включают высокопроизводительное и энергоемкое вакуум-выпаривание и энергоемкий электродиализ. Одним из путей решения этой проблемы может быть применение перспективного и энергоэффективного метода – нанофильтрации, совмещенной с диафильтрацией, которая обеспечивает одновременное
в перечень российских рецензируемых
научных журналов. Получены 2 патента Российской Федерации.

концентрирование, деминерализацию и раскисление пищевых растворов. Степень деминерализации сыворотки при использовании диафильтрации может достигать 55 %. Раскисление повышается с 10 до 30 %. Массовая доля сухих веществ может достигать 28 %. Энергозатраты при концентрировании молочной сыворотки с помощью нанофильтрации до умеренных концентраций на порядок ниже, чем при вакуум-выпаривании. Но концентрация сыворотки при нанофильтрации недостаточна для проведения процесса кристаллизации лактозы.
Можно заключить следующее: разработка устройства для осуществления дальнейшего сгущения НФ-концентрата и кристаллизации лактозы позволит получить кристаллизат, из которого лактозу можно удалить механическим путем, получив в результате частично делактозированную деминерализованную сыворотку, что позволит решить проблему использования отходов производства сыра и творога на пищевые цели. Такая сыворотка может быть использована в качестве компонента в продуктах детского питания или в получении продуктов высокой биологической ценности при смешивании с отрубями.
Структурная схема организации исследований представлена на рисунке 1.
Анализ современного состояния вопроса
Цель работы
Постановка задач исследований
Объекты исследования
Процесс концентрирования НФ-концентрата молочной сыворотки выпариванием
Процесс кристаллизации лактозы, совмещенный с процессом выпаривания кристаллизата
Изучение закономерностей изменения физических свойств НФ-концентрата в процессе выпаривания на экспериментальной установке
Теоретический анализ процессов выпаривания НФ-концентрата и кристаллизации лактозы
Изучение закономерностей изменения физических свойств кристаллизата в процессе кристаллизации совмещенной с выпариванием на экспериментальной установке
Разработка методики инженерного расчета,расчет и изготовление кристаллизатора-выпаривателя
Разработка математической модели процессов теплообмена, выпаривания и кристаллизации лактозы в кристаллизаторе с воздушным и водяным охлаждением и подогревом с циклическими температурными режимами работы
Создание и испытания пилотной установки для выпаривания НФ-концентрата и кристаллизации лактозы
Рисунок 1 – Структурная схема организации исследований
В главе 2 «Сравнительный анализ и обоснование режимов работы кристаллизатора с воздушным и водяным теплоносителями» исследованы температурные режимы работы кристаллизатора с единственным воздушным теплоносителем. В процессе нагрева кристаллизата горячим воздухом с
Разработка усовершенствованного способа производства лактозы и частично делактозированной деминерализованной сыворотки и его аппаратурное оформление
Разработка методики оптимизации аминокислотного состава и оптимизация состава композитного продукта на основе частично делактозированной деминерализованной сыворотки
Оценка энергетической эффективности усовершенствованного способа производства лактозы и частично делактозированной деминерализованной сыворотки

Q2
Q4
температурой 60 °С и расходом 0,003 м3/с максимальная температура, достигаемая кристаллизатом, составляет примерно 31,4 °С. При этой температуре наступает равновесие, при котором подводимое к кристаллизату количество теплоты будет равно количеству теплоты, теряемому с выпаренной влагой. При такой температуре интенсивность выпаривания слабая. За 24- часовой период циклического нагревания и охлаждения сухие вещества увеличиваются с 30 % до 38,5 %,что не позволяет выкристаллизовать лактозу так, чтобы в последующем имелась возможность отделить ее от кристаллизата.
Одним из путей интенсификации процессов выпаривания и кристаллизации является повышение температуры выпаривания и снижение температуры кристаллизации. Для этого в кристаллизаторе были предусмотрены два теплоносителя – воздушный, подаваемый непосредственно в кристаллизат, и водяной, подаваемый в рубашку (рисунок 2).
6
5 2
3
Q1 1
а
60 50 40 30
012345678 Время, ч
цикл 4 ч цикл 2 ч цикл 8 ч
1 – воздуховод подачи воздуха в кристаллизатор,2 –водяная рубашка, 3 и 4– система подвода и отвода воды, 5 – кристаллизат, 6–воздушные пузырьки; Q1 и Q4 – количество теплоты, которое получает кристаллизат от воздуха и воды; Q2 – количество тепла, уносимое воздухом, 7 – подпитка кристаллизатора НФ-концентратом
Рисунок 2 – а) Схема колонки кристаллизатора с воздушным и водяным теплоносителями; б) изменение содержания сухих веществ кристаллизатав процессе выпаривания и кристаллизации
Кроме того, интенсификация процесса кристаллизации обеспечивается чередованием процессов охлаждения и нагревания кристаллизата, т.к. периодическое нагревание обеспечивает растворение мелких кристаллов, которые не поддаются механическому отделению, и интенсивный рост крупных кристаллов за счет повышения степени пересыщения кристаллизата. В процессе нагревания кристаллизата происходит его выпаривание, а в процессе охлаждения – кристаллизация лактозы. Каждый цикл работы кристаллизатора включает по одному нагреванию и охлаждению. На рисунке 2б представлен график изменения сухих веществ кристаллизата при двух-,четырех- и восьмичасовом циклах работы кристаллизатора-выпаривателя. На рисунке 2а представлена схема колонки кристаллизатора с подводом и отводом тепла.
б
Массовая доля сухих веществ, %

к
cв в. V1  cкр mкр 0,5K1  f1 
Тепловой баланс колонки без учета тепла, поступающего с НФ– концентратом (как малой величиной) имеет вид:
Q Q Q Q , (1) 1243
В колонке кристаллизат получает тепло Q3 с поступающими в него воздухом Q1 и с водой Q4, циркулирующей в рубашке и теряет тепло с выходящим воздухом Q2. Разбивая весь процесс на малые интервалы времени Δτ, в течение которых физические параметры кристаллизата изменяются по линейной зависимости, получим температуру кристаллизата на конец этого промежутка tк,oС
t (cв tв.н (dв.н dв.к)r)в.V1cкр mкр tн K1f1(tТ 0,5tн) (2)
где св – удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг·К); tв.н – температура воздуха на входе в колонку, oС; tв.к – температура воздуха на выходе из колонки (равна температуре кристаллизата на конец промежутка времени Δτ), oС; dв.н , dв.к – влагосодержание воздуха на входе в колонку и выходе из нее, кг/кг; r – удельная теплота парообразования, Дж/кг; ρв – плотность воздуха, кг/м3; V1 – объемный расход воздуха, м3/с; К1 – коэффициент теплопередачи между кристаллизатом и2 горячей водой, Вт/(м2·К); f1 – площадь поверхности теплопередачи, м; tT – температура теплоносителя,oС; скр – удельная теплоемкость кристаллизата, Дж/(кг·К); mкр – масса кристаллизата, кг; tн – температура кристаллизата на начало промежутка времени Δτ, oС.
Из уравнения материального баланса (влага поступает с воздухом и подпитывающим НФ-концентратом и теряется с выходящим из кристаллизатора воздухом, а сухие вещества поступают с концентратом) процентное содержание сухих веществ в кристаллизате на конец промежутка времени Δτ составляет
(3)
Где b–начальное содержание сухих веществ кристаллизата, %; ρж – плотность воды, кг/м3, ρн – плотность НФ-концентрата.
На основании уравнений теплового и материального баланса установлено, что при температуре горячего и холодного воздуха 60 °С и 0 °С соответственно, и температуре горячей и холодной воды 70 °С и 1 °С соответственно, максимальная температура, достигаемая кристаллизатом составляет 62 °С, а минимальная – 1,3 °С. При 8-часовом периоде работы сухие вещества сыворотки достигают 56 %, причем конечный уровень сухих веществ не зависит от продолжительности цикла (рисунок 2б).
В главе 3 «Экспериментальные исследования» процессы выпаривания и кристаллизации изучались на экспериментальной установке. В качестве исходного сырья – концентрат творожной сыворотки, полученный с помощью нанофильтрации совмещенной с диафильтрацией, с массовой долей сухих веществ – 27,2 %,степенью деминерализации – 47 % и раскисления – 30 %.
Установлено, что наиболее эффективный режим работы кристаллизатора достигается при первоначальном сгущении исходного НФ-концентрата до содержания сухих веществ около 50 % путем барботирования воздуха с

температурой 45 °С в кристаллизат при одновременном его нагревании с помощью горячей воды с температурой 70 °С – 72 °С, подаваемой в рубашку (рисунок 2а). В конце каждого часа в течение всего процесса выпаривания осуществлялось взвешивание кристаллизата, измерение сухих веществ в межкристальном растворе и микрофотосъемка кристаллов. Как видно из графика (рисунок 3), за 7 часов выпаривания содержание сухих веществ увеличилось от 27,2 % до 50,5 %, а при дальнейшем выпаривании стало падать, т.к. начиналась интенсивная кристаллизация, что хорошо просматривается при микроскопировании (рисунок 4).
70 70 60 60 50 50 40 40 30 30 20 20 10 10 00
0 2 4 6 8 10
Рисунок 3– Изменение содержания сухих веществ и степени кристаллизации лактозы в процессе сгущения
y = -0,1403×3 + 1,4325×2 + 0,1398x + 27,573 R2 = 0,9934
Время, ч
y = 0,6546×2 + 1,3054x + 0,3914 R2 = 0,9853
сухие вещества в межкристальном растворе,% степень кристаллизации лактозы, %
а) б)
а) через 5 часов, б) через 6 часов, в) через 7 часов, г) через 8 ч Рисунок 4 – Микрофотографии кристаллов в процессе выпаривания при 20-ти кратном увеличении (1 деление линейки=3,2мкм)
Для проведения эксперимента использовался НФ-концентрат творожной сыворотки, обессоленный до 50%, сгущенный до содержания сухих веществ 55%.
в)
г)
Степень кристаллизации при этом достигала 57 %. Дальнейшее сгущение представлялось нецелесообразным, поэтому после 8-часового сгущения производилось охлаждение. В течение часа охлаждения, за счет интенсивной кристаллизации, сухие вещества понижались до 42,5 %, а степень
Cухие вещества,%
Степень кристаллизации лактозы, %
кристаллизации лактозы повышалась до 63,3 %. Экспериментальные исследования влияния циклических температурных режимов на процесс кристаллизации лактозы проводились на лабораторном образце кристаллизатора-выпаривателя (рисунок 5).
1 – воздушный компрессор; 2 – воздуховод; 3 – емкость с экспериментальным образцом; 4 – емкость с контрольным образцом; 5 – холодный термостат; 6 – устройство для барботирования воздуха; 7 – нагревательный элемент; 8 – вода; 9 – пузырьки воздуха; 10 – пена; 11 – термометры;12 – горячий термостат; 13 – лед
Рисунок 5 – Схема экспериментальной установки: а) с охлаждением б ) с подогревом
Для осуществления циклического температурного режима экспериментальный образец 3 периодически перемещается из холодного термостата 5 в горячий 12. При этом контрольный образец 4 все время находился в холодном термостате. В горячем термостате сыворотка нагревалась от воды путем теплопередачи через стенку и от барботируемого воздуха, который, проходя по спиралевидному воздуховоду, нагревался от той же горячей воды. В холодном термостате охлаждение сыворотки осуществлялось подобным образом при помощи холодных воздуха и воды. Расход воздуха составлял 15·10-6 м3/с. Сухие вещества концентрата молочной сыворотки состояли в основном из лактозы (68 %) и белка (13,2 %), а также молочной кислоты (11,3 %), золы (6,6 %) и жира (0,9 %). В горячем термостате температура поддерживалась на уровне 70 °С, а в холодном на уровне 5 °С. Наибольшую эффективность показал режим кристализации с 4-мя циклами охлаждения, при этом степень кристаллизации составила 65 %. Такой режим позволяет увеличить средний размер кристалла почти в 2 раза по сравнению с контрольным образцом, режим охлаждения которого соответствует
традиционному.
В главе 4 «Разработка конструкции кристаллизатора-выпаривателя с воздушным и водяным охлаждением и подогревом» представлена методика инженерного расчета и рассчитаны конструктивные параметры кристаллизатора-выпаривателя вместимостью 5 л: высота корпуса Нкр=0,6 м, внутренний диаметр колонки Dвн=0,14 м, количество отверстий в барботере n=102 диаметромd0=0,003 м (рисунок 6).

1 – верхняя крышка; 2 – штуцер для отвода воды; 3 – направляющая рубашки; 4 – колонка; 5– рубашка колонки; 6 – штуцер для подачи воды;7 – отверстия в барботере; 8 – патрубок подачи воздуха; 9 – барботер; 10– днище; 11– штуцер для удаления готовых кристаллов; 12 – опора
Рисунок 6 – Схема кристаллизатора с циклическими температурными режимами работы
Аппарат представляет собой колонку 4, внутри которой расположен барботер 9 с отверстиями 7. Горячий и холодный воздух подается через патрубок 8. В рубашку 5 колонки через штуцера 6 и 2 подается и отводится горячая или холодная вода, которая распределяется в рубашке с помощью спиралевидной направляющей 3. Кристаллизатор установлен на опору 12.
Определены термо- и гидродинамические параметры процесса теплопередачи между кристаллизатом и водным теплоносителем. Скорость
движения водного теплоносителя в винтовом канале рубашки – 0,3 м/с, коэффициент теплопередачи между кристаллизатом и водным теплоносителем при нагревании кристаллизата горячей водой составляет 323 Вт/(м2∙К), при охлаждении кристаллизата холодной водой, составляет 238,6 Вт/(м2∙К). Рассчитаны термо- и гидродинамические параметры процесса теплопередачи между кристаллизатом и воздушным пузырьком. Скорость подъема воздушного пузырька – 0,24 м/с, коэффициент теплопередачи между воздушным пузырьком и кристаллизатом для процесса нагревания – 5,3 Вт/(м2∙К), процесса охлаждения – 7,3 Вт/(м2∙К).
В главе 5 «Испытания пилотной установки для выпаривания НФ- концентрата молочной сыворотки и кристаллизации лактозы» для оптимизации режимов работы кристаллизатора-выпаривателя была разработана математическая модель процессов теплопередачи, выпаривания и кристаллизации при циклических температурных режимах, зависящая от физико-химических свойств кристаллизата (температуры, вязкости, плотности, содержания сухих веществ, растворимости лактозы, пересыщения, теплоты парообразования), расхода воздуха и его термодинамических свойств (температуры, влагосодержания). Перечисленные параметры системы взаимосвязаны и в процессе выпаривания и кристаллизации изменяются. Для анализа изменения вышеперечисленных параметров каждый цикл охлаждения и нагревания разбивался на малые интервалы времени Δτ, в течение которых физические параметры кристаллизата можно условно принять изменяющимися по линейной зависимости. Описание тепло- и массообменных процессов проводилось на основании теплового и материального балансов (2) и (3).
Основные закономерности процесса кристаллизации лактозы представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Основные закономерности процесса кристаллизации лактозы
Параметр Формула Параметр Формула
Пересыщение Содержание сухих веществ в мелассе
Эмпирические зависимости
Показатель скорости образования кристаллической лактозы
Концентрация исследуемого раствора
Концентрация насыщенного раствора
Показатель скорости кристаллизации
ΔС – снижение концентрации раствора, кг лактозы на 100 кг влаги, в процентах; ΔСп – пересыщение, кг лактозы на 100 кг влаги в процентах; Δτ – расчетный интервал времени, ч; mл – масса лактозы, кг; mв – масса влаги, кг; С – концентрация исследуемого раствора, кг лактозы на 100 кг влаги, в процентах;Снас– концентрация насыщенного раствора, кг лактозы на 100 кг влаги, в процентах; mр.л. – масса растворенной лактозы, кг; mб – масса белка, кг; mз– масса золы, кг.
Предложенная математическая модель позволяет определить количество растворенной и выкристаллизовавшейся лактозы и проанализировать изменение процентного содержания сухих веществ в межкристальном растворе. Адекватность предлагаемой математической модели оценивалась путем сравнения с данными, полученными на экспериментальной установке.
Для проведения эксперимента использовался НФ-концентрат творожной сыворотки, деминерализованный до 50 %, сгущенный до содержания сухих веществ 55 %. Сухие вещества концентрата сыворотки состояли в основном из лактозы (79,6 %) , белка (13,2 %) и золы (3,7 %). Были исследованы два образца: экспериментальный и контрольный. Начальная температура образцов составляла 68 °С, начальная масса каждого образца – 0,155 кг. Контрольный образец помещался в емкость с холодной водой на 3,5 ч. Температура холодной воды поддерживалась на уровне 3 °С – 5 °С. Экспериментальный образец подвергался циклической температурной обработке. Для этого он помещался в охлаждающую емкость, где охлаждался от начальной температуры 68 °С в течение часа. Охлаждение осуществлялось холодной водой путем теплопередачи и барботированием охлажденного до температуры 10 °С воздуха. Затем образец перемещался в емкость для нагревания на 15 минут. Нагревание осуществлялось горячей водой с температурой 70 °С – 75 °С и подогретым до температуры 40 °С воздухом, который барботировался в кристаллизат. Весь процесс кристаллизации лактозы в опытном образце включал 3-х кратное охлаждение и 2-х кратное нагревание. Расход воздуха составлял (16-21)·10-6 м3/с. Такой большой интервал варьирования расхода воздуха, объясняется тем, что пропускная способность барботера в процессе кристаллизации лактозы снижалась.
Проведен анализ изменения температуры кристаллизата, показателя скорости образования кристаллической лактозы, содержания сухих веществ в межкристальном растворе, процента выкристаллизованной лактозы.
Результаты проведенных исследований представлены в виде графиков (рисунки 7-10).
В экспериментальном образце происходит одновременное увеличение содержания сухих веществ, связанное с выпариванием влаги и снижение их за счет кристаллизации лактозы. Причем оба эти процесса зависят от температурных режимов. В контрольном образце происходит снижение содержания сухих веществ только за счет кристаллизации лактозы. На рисунке 11 представлены микрофотографии кристаллов лактозы экспериментального и контрольного образцов на конец циклов охлаждения. Если сравнить экспериментальный и контрольный образец, то видно, что кристаллы в экспериментальном образце значительно больше по размеру, что является необходимым условием эффективного отделения лактозы в процессе центрифугирования.
Были проведены испытания пилотной установки (рисунок 12), которая включает в себя в себя кристаллизатор-выпариватель 1, две емкости для холодной 2 и горячей 3 воды и, соответственно, 2 насоса для подачи холодной 5 и горячей 4 воды, и компрессор для подачи воздуха 6.
Исследование процесса сгущения проводилось в течение 9 часов при расходе воздуха V=750∙10-6 м3/с. Для эксперимента использовалось 6 кг НФ- концентрата творожной сыворотки с массовым содержанием сухих веществ 27,2 %, степенью деминерализации 47 %. Содержание лактозы в сухом веществе – (75,3±0,8) %, белка –(13,2±0,2) %, золы – (4,3±0,2) %, органических кислот – (3,7±0,4) %. Температура барботируемого воздуха составляла 35 °С, температура воды, подаваемой в рубашку кристаллизатора – 63 °С.
В процессе сгущения сухие вещества в кристаллизате возрастали до 50,2 % в течение 8 часов, а в течение последнего часа падали до 49,4 % за счет массовой кристаллизации лактозы. При этом расчетная степень кристаллизации лактозы по отношению к исходным сухим веществам, растворенным в кристаллизате, достигала 38 % (рисунок 13а). Выпаривание до 4-го часа происходило при температуре 56 °С, а к 9-му часу температура падала до 53 °С (рисунок 13б). Это объясняется тем, что вязкость кристаллизата растет и коэффициент теплопередачи от теплоносителя уменьшается.
В результате сгущения исходного нанофильтрата масса кристаллизата составила 2,36 кг с содержанием сухих веществ 49,4 %, масса выпаренной из кристаллизата влаги в процессе сгущения составила 3,64 кг,масса оставшейся в кристаллизате влаги – 1,1 кг, масса выкристаллизованной лактозы составила 0,47кг.

80 70 60 50 40 30 20 10
Экспериментальный образец расчет Контрольный образец расчет экспериметальный образец опыт контрольный образец опыт
60 55 50 45 40
Рисунок 7 – Изменение температуры кристаллизата в экспериментальном и контрольном образцах.
Рисунок 9 – Изменение растворенных сухих веществ в процессе кристаллизации
70
50
30
10
Рисунок 10 – Динамика изменения процента выкристаллизованной лактозы в процессе кристаллизации
0 30 60 90 120 150 180 210 Время, мин
0 30 60 90 120 150 180 210 Время, мин
экспериментальный образец расчет контрольный образец опыт
экспериментальный образец опыт
35
25
15
5
-5 0 3
0 120 150
Время, мин
210
0 30 60 90 120 150 180 210 Время,мин
09
экспериментальный образец контрольный образец
Рисунок 8 – Показатель скорости образования кристаллической лактозы для экспериментального и контрольного образцов
Показатель скорости кристаллизации, 1/ч
Температура, 0С
Выкристаллизованная лактоза, Сухие вещества,% %

а) б) в) ))
г) д) )
е)
) Экспериментальный образец: а) через 60 мин, б) через 135 мин, в) через 210 мин;
контрольный образец: г) через 60 мин, д) через 135 мин, е) через 210 мин
Рисунок 11 – Микрофотографии кристаллов после охлаждения в каждом из 3-х циклов при 20-кратном увеличении (1 деление линейки=6,2мкм)
10
8
23 12 15 16 11
7
14 5 17
4
13
1 – кристаллизатор-выпариватель; 2 – емкость для холодной воды; 3 – емкость для горячей воды; 4 – насос для подачи горячей воды; 5 – насос для подачи холодной воды;6 – компрессор для подачи воздуха; 7, 8, 9, 10, 13, 14, 15, 16, 17 – вентили; 11, 12 – змеевик Рисунок 12 – Схема пилотной установки для выпаривания НФ-концентрата молочной сыворотки и кристаллизации лактозы
Эффективный процесс циклической кристаллизации включал: 4 цикла последовательных охлаждений и нагреваний продолжительностью 1 час и 15 минут, соответственно, и последнее охлаждение продолжительностью 3 часа. Температура охлаждающего воздуха – 10 °С, температура холодной воды – 5 °С. Температура греющего воздуха и воды имеют те же значения, что и в процессе сгущения.

60 60 50 50 40 40 30 30 20 20
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Время, ч б) Содержание сухих веществ, %
Степень кристаллизации лактозы, %
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Время, ч
y = -0,063×3 + 0,887×2 – 0,317x + 27,56 R2 = 0,994
y = 0,535×2 – 0,069x + 0,038 R2 = 0,989
10 0
а)
10 0
Рисунок 13 – а) Содержание сухих веществ и степень кристаллизации лактозы в процессе сгущения; б) температура в процессе сгущения
В процессе охлаждения температура кристаллизата понижалась до 8 °С. В
процессе нагревания его температура росла до 44 °С. В конце процесса
циклической кристаллизации содержание сухихвеществ уменьшилось с 49,4 %
до 32,6 %. Процент выкристаллизованной лактозы по отношению к исходному
еѐ количеству увеличился с 51,8 % до 81,4 %. Процент выкристаллизованной
лактозы по отношению к исходному содержанию сухих веществ увеличился от
38 % до 60% (рисунок 14).
90
80
70
60
50
40
30
Рисунок 14 – Изменение растворенных сухих веществ, и процента выкристаллизованной лактозы по отношению к исходной лактозе и к исходным сухим веществам
В главе 6 «Линия производства частично делактозированной деминерализованной молочной сыворотки» предложен способ производства частично делактозированной деминерализованной молочной сыворотки (рисунок 15), включающий в себя: пастеризацию; осветление сыворотки; нанофильтрацию, совмещенную с диафильтрацией, с помощью которой сыворотка концентрируется до 28 % – 30 % сухих веществ и деминерализуется до 50% содержания солей; выпаривание, совмещенное с кристаллизацией лактозы, при которой происходит концентрация сыворотки до 55 % сухих веществ и кристаллизация 80 % от всей изначальной лактозы; центрифугирование, при котором отделяется 50 % от изначальной лактозы.
0123456789
Время, ч
Сухие вещества,%
Процент выкристализовавшейся лактозы по отношению к исходнойлактозе,% Процент выкристализовавшейся лактозы по отношению к сухим веществам,%
Растворенные сухие вещества, Выкристализованная лактоза,%
Сухие вещества , степень кристаллизации лактозы, %
Температура °С
1 – насос; 2 – фильтр; 3 – охладитель; 4 – резервуар; 5 – сепаратор; 6 – пастеризационно- охладительная установка; 7 – подогреватель; 8 – нанофильтрационная установка; 9 – кристаллизатор-выпариватель; 10 – винтовой насос; 11 – центрифуга
Рисунок 15 – Аппаратурная схема производства частично делактозированной деминерализованной сыворотки на основе кристаллизатора-выпаривателя
Для увеличения продолжительности хранения целесообразно подвергать полученную в результате центрифугирования (рисунок 15) сыворотку, дальнейшей сушке. Проведена сравнительная оценка состава сухой частично делактозированной деминерализованной сыворотки, полученной известным и предлагаемым способом (таблица 2). Если сравнить полученный продукт по процентному содержанию белка, лактозы и золы, то предлагаемый способ позволяет получить продукт с высоким содержанием белка (25,8 %) и пониженным содержанием золы (11 %). Содержание лактозы в предлагаемом продукте (58 %) мало отличается от женского молока и приближается по составу к коровьему, поэтому полученный продукт может быть использован на предприятии в производстве традиционных, например, кисломолочных продуктов.
Таблица 2 – Состав сухой частично делактозированной деминерализованной сыворотки на 10 т исходного продукта
Продукт Единицы измерения Влага
Лактоза Белок Зола Прочее 57,99 25,8 10,76 1,45 200 89,00 37,1 5
40,37 33,68 19,43 2,52
Всего 100,0 344,9 100,0 198,2
Предлагаемый способ
Известный способ
% 4,00 кг 13,8 % 4,00 кг 7,93
80 66,75 38,5 5 Эффективность белкового обмена в организме зависит не только от количества, принимаемого с пищей белка, но и от его аминокислотного состава. Различные белки обладают неодинаковой пищевой ценностью. Полагают, что, чем ближе аминокислотный состав принимаемого пищевого белка к аминокислотному составу белков тела, тем выше его биологическая ценность. Недостаток незаменимых аминокислот может привести к серьезным нарушениям белкового обмена в организме, развитию отрицательного азотистого баланса, истощению, остановке роста, нарушениям функции нервной системы и др. К незаменимым аминокислотам относятся: триптофан, лизин, лейцин, валин, фенилаланин, метионин, изолейцин и треонин. Состав идеального белка по незаменимым аминокислотам, по данным ФАО/ВОЗ, представлен в таблице 3. Для наиболее объективной оценки степени оптимальности состава продуктов используют такой общепринятый показатель, как аминокислотный скор, который основан на сравнении аминокислотного

состава белка оцениваемого продукта с аминокислотным составом стандартного (идеального) белка.
Известно, что комбинированные продукты, в частности, состоящие из отрубей и частично делактозированной деминерализованной сыворотки, имеют высокую пищевую ценность. Рассмотрим с точки зрения соотношения незаменимых аминокислот пшеничные отруби и частично делактозированную деминерализованную сыворотку (лактоза – 46 %, белок – 34 %, зола – 14 %),
представленные в таблице 3.
Таблица 3 – Аминокислотный состав и скор продуктов в граммах на 100 граммов белка
Состав белка продуктов

Идеальный белок ФАО/ВОЗ Белок пшеничных отрубей Аминокислотный скор пшеничных отрубей
Белок молочной сыворотки Аминокислотный скор молочной сыворотки Белок комбинированного продукта
Аминокислотный скор комбинированного продукта
7 4 6,5 3,9
0,93 0,98 11,3 6,5
1,61 1,63 7,8 4,25 1,11 1,06
1 4 0,8 2,5
0,80 0,63 2,5 5,6
2,50 1,40 2,11 4,07 2,11 1,02
5,5 5 3,5 1,8 3,8 1,4
0,33 0,76 0,40 11,5 5,5 5,6
2,09 1,10 1,60 6,22 5,17 4,59 1,13 1,03 1,31
6 36 5,1 25,8
0,85 0,72 6,3 54,8
1,05 1,52 6,92 41,13 1,15 1,14
Как видно из таблицы, белок молочной сыворотки насыщен незаменимыми аминокислотами значительно больше, чем белок пшеничных отрубей. На это указывает и аминокислотный состав и аминокислотный скор. Используя метод наименьших квадратов, определим, в каком соотношении должны присутствовать отруби и сыворотка в комплексном продукте.
В качестве критерия ценности продукта по незаменимым аминокислотам выберем минимум квадрата невязок между содержанием каждой из восьми незаменимых аминокислот в грамме идеального продукта и рассматриваемого продукта. Для этого найдем сумму квадратов невязок, или отклонений содержания каждой из аминокислот в смеси, состоящей из продуктов от аминокислотного состава идеального продукта:
∑[ ∑ ], (5) ∑
где xj– составная часть j-го продукта в смеси;
ai,j НАК.ИССЛ. – содержание i-той незаменимой аминокислоты в 1 грамме
белкаj-того исследуемого продукта,мгм;
ai НАК.СТ. –– содержание i -той незаменимой аминокислоты в 1 грамме
идеального стандартного белка,мгм.
Минимум квадрата невязок достигается при условии . В
результате получим систему из линейных уравнений с неизвестными. Для двух смешиваемых продуктов , минимум квадрата невязок даст два линейных уравнения относительно двух неизвестных и :
Лейцин
Изолейцин
Триптофан
Треонин
Лизин
Валин
Метионин+ цистин
Фенилалеин+ тирозин

∑[]
∑[]
{
(6)
В результате решения уравнения (6) получим оптимальное соотношение компонентов и
∑( )( ),(7)
∑()()
Расчеты поданным таблицы 4 для пшеничных отрубей и сыворотки даютх1бел/х2бел=2,6.Тогда в 100 граммах белка смеси будет содержаться 72 г белков отрубей и 28 г белков сыворотки.
Учитывая, что частично делактозированная деминерализованная сыворотка, имеет в своем составе 34 % белка, а пшеничные отруби 14,4 %, то соотношение продуктов х1прод/х2прод=(2,6∙100/14,4)/(1∙100/34)=6,14.
Сравнение пищевой ценности пшеничных отрубей, частично делактозированной деминерализованной сыворотки и комбинированного продукта представлено в таблице 4. При этом у комбинированного продукта значительно повышается процент от суточной нормы потребления белков по сравнению с пшеничными отрубями. Если вернуться к таблице 2 и сравнить аминокислотный скор отдельных продуктов, а именно, пшеничных отрубей, молочной сыворотки и комбинированного продукта, то можно видеть, что использование белков сыворотки для обогащения пищевых продуктов помогает повысить пищевую ценность каждого из продуктов: пищевых отрубей – в 1,4
раза и самой сыворотки – в 1,1 раза.
Таблица 4 – Пищевая ценность продукта из пшеничных отрубей и делактозированной деминерализованной молочной сыворотки
Продукт
Суточная норма потребления белков
Пшеничные отруби
Молочная сыворотка
85,92 г пшеничных отрубей + 14,08 г молочной сыворотки
В 100 г
процент от нормы
В 85,92г
В100 г
процент от нормы
В 14,08 г В 100 г
процент от нормы
0,93 0,49 0,28 20,2 24,3 35,3
0,78 0,41 0,24
3,31 1,90 0,73 72,2 95,3 91,85
0,54 0,31 0,12 1,32 0,72 0,36 28,65 35,86 44,47
0,5 0,6 20,8 14,6
0,42 0,50
1,64 3,37 68,4 82,1
0,27 0,55 0,69 1,05 28,53 24,54
0,605 1,03 0,371 16,801 11,7 20,6
0,51 0,886 0,86
1,64 1,85 1,85 35,32 24,21 24,21
0,27 0,3 0,3 0,78 1,186 1,16 21,66 13,46 14,66
4,94 Лейцин 2,00 Изолейцин
0,8 Триптофан
2,4 Треонин 4,11 Лизин
2,5 Валин
3,6 Метионин + цистин
8,8 Фенилалеин + тирозин
В таблице 5 представлены энергозатраты на производство частично делактозированной деминерализованной молочной сыворотки при 2-х различных способах производства и соответственном аппаратурном оформлении. Известный способ получения частично делактозированной деминерализованной сыворотки с применением вакуум аппарата Виганд 2000, кристаллизатора КМСР-72 и электродиализной установки Молога-1М, требует на переработку 10 т сыворотки 12745 рублей. В предлагаемом нами способе с применением нанофильтрационной установки ТСВНФ5 и разработанного кристаллизатора-выпаривателя затраты на переработку 10 т продукции составляют 4499 рублей, что в 2,8 раза меньше затрат на производство частично делактозированной деминерализованной сыворотки по известной технологии.
Таблица 5 – Сравнительная оценка энергозатрат на производство частично делактозированной деминерализованной молочной сыворотки
Параметр
Известный способ Предлагаемый способ
0,26- – – 9 21,6 0,1 –
1,35 26,4 5,1 54,1 580 – – –
Операции на аппаратах
Затраты энергии на обработку 1 т сыворотки
Стоимость энергозатрат
Всего на 1 т сыворотки, руб Всего на 10 т сыворотки, руб
– – 5
346,5 42,35 24 237,6 29
Пар, Гкал
Вода, м3
Эл. энергия, кВт∙ч
Пар, руб/Гкал
Водоснабжение, 35 – руб/м3
Водоотведение,
руб/ м3
Эл. энергия,
руб/кВт∙ч
2000 –
7,5 1,77 11,1 26,4
3,5 –
2,4
38,25 405,75 44,15 405,75
449,9 4499
1,77 1175,2 97,75 1274,72
12745
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1) Теоретически установлено, что при одновременном нагревании кристаллизата воздухом с температурой 60 °С и водой с температурой 70 °С, при расходе горячего воздуха 0,0009 м3/с, максимальная температура, достигаемая кристаллизатом составляет 62 °С; при одновременном охлаждении кристаллизата воздухом с температурой 0 °С и водой с температурой 1°С, при расходе холодного воздуха 0,0003 м3/с, минимальная температура кристаллизата составляет 1,3 °С; при 24-часовом периоде работы содержание сухих веществ в сыворотке может достигать 63 %.
2) Экспериментально установлено, что оптимальным режимом работы кристаллизатора является первоначальное сгущение НФ-концентрата до содержания сухих веществ как минимум 50 % с последующим проведением циклической кристаллизации. При циклической кристаллизации (4 цикла) при температуре горячей воды 70 °С, температуре холодной воды 4 °С – 6 °С,
Электродиализ Молога-1М
Выпаривание Виганд 2000
Кристаллизация КМСР-72
Нанофильтрация + диафильтрация ТСВНФ5
Кристаллизация + выпаривание
кристаллизат нагревается до 67 °С, а охлаждается до 8 °С, при этом степень кристаллизации достигает 65 % при среднем размере кристалла 120 мкм.
3) Разработана методика инженерного расчета, рассчитан и изготовлен кристаллизатор-выпариватель с воздушным и водяным охлаждением и подогревом, вместимостью 5 л кристаллизата, с коэффициентом теплопередачи между теплоносителем и кристаллизатомдля горячей воды – 323 Вт/(м2∙К), для холодной воды – 238,6 Вт/(м2∙К).
4) Разработана математическая модель процессов теплообмена, выпаривания и кристаллизации лактозы в кристаллизаторе с воздушным и водяным охлаждением и подогревом с циклическими температурными режимами работы, позволяющая определить температурные режимы работы, содержание растворенных сухих веществ, процент выкристаллизованной лактозы, показатель скорости кристаллизации в каждый момент времени в зависимости от физико-химических свойств кристаллизата, от расхода воздуха и его термодинамических свойств, и от термодинамических свойств теплоносителя, подаваемого в рубашку.
5) Испытания созданной пилотной установки показали, что в процессе сгущения НФ-концентрата творожной сыворотки, который происходил при температуре от 49,4 °С до 56 °С и продолжался 9 часов, сухие вещества возросли до 49,4 %. При этом степень кристаллизации лактозы составила 38 % от исходных сухих веществ. В процессе 8-ми часовой циклической кристаллизации выкристаллизовалось 81,4% от исходного количества лактозы. 6) Разработана усовершенствованная линия производства частично делактозированной деминерализованной сыворотки и предложено ее аппаратурное оформление, позволяющее повысить степень деминерализации до 50 %, выкристаллизовать 70 % и отделить 50 % от изначальной лактозы.
7) Разработана методика оптимизации аминокислотного состава пищевого продукта на основе метода наименьших квадратов. Спроектирован 2-х компонентный сывороточно-злаковый продукт с оптимальным аминокислотным составом, состоящий из частично делактозированной деминерализованной сыворотки и пшеничных отрубей с соотношением компонентов 1:6,1.
8) Расчет показал, что энергозатраты на переработку 10 т сыворотки по предлагаемой технологии составляют 4499 рублей, что в 2,8 раз меньше затрат по известной технологии.